KR102084771B1 - Pseudo capacitor anode material and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 비정전 용량 특성이 우수한 수도커패시터용 음극 물질 및 그 제조방법이 제공된다. In the present invention, a negative electrode material for a water capacitor having excellent non-capacitance characteristics and a method of manufacturing the same are provided.
Description
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본 출원은 2017년 9월 25일자 한국 특허 출원 제 10-2017-0123725호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2017-0123725 filed on September 25, 2017, and all contents disclosed in the literature of the Korean patent applications are incorporated as part of this specification.
본 발명은 비정전 용량 특성이 우수한 수도커패시터용 음극 물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a negative electrode material for a water capacitor having excellent non-capacitance characteristics and a method of manufacturing the same.
전기화학적인 커패시터는 전극의 표면과 전해질 사이에 전기 이중층을 형성함으로써 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 커패시터는 화학작용에 의해 전기가 발생되는 전지와 달리 전기 이중층에 의해 전기가 만들어지기 때문에, 전극 자체에 대한 손상이 없어 수명이 거의 무한대이고, 또 충방전 시간이 길지 않아 짧은 시간에 많은 양의 전류를 저장할 수 있다. 이에 따라 커패시터는 고출력이 요구되는 분야에서 특히 유용하게 사용될 수 있는 전기 저장체이다. Electrochemical capacitors are devices that store electrical energy by forming an electrical double layer between the surface of the electrode and the electrolyte. Unlike a battery that generates electricity by a chemical reaction, a capacitor is made of electricity by an electric double layer, so that there is no damage to the electrode itself, and thus the life is almost infinite, and the charging and discharging time is not long. Can be stored. Accordingly, the capacitor is an electrical storage body that can be particularly useful in the field where high power is required.
최근 에너지 밀도와 출력이 모두 높은 에너지 저장장치에 대한 요구가 증가함에 따라, 종래의 일반 커패시터 보다 에너지 밀도가 높고, 리튬 이온 배터리보다 출력 특성이 우수한 에너지 저장장치로서 슈퍼 커패시터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장하는 메커니즘의 방식에 따라 전기 이중층 커패시터 (electrical double layer capacitor, EDLC)와 수도커패시터 (pseudo capacitor)로 분류될 수 있다. Recently, as the demand for energy storage device having high energy density and high output increases, research on supercapacitors is actively conducted as an energy storage device having higher energy density than conventional general capacitors and output characteristics superior to lithium ion batteries. have. Such supercapacitors can be classified into electric double layer capacitors (EDLC) and pseudo capacitors according to the mechanism of energy storage mechanism.
EDLC은 탄소재료 표면의 전기 화학적 현상을 기반으로 한 것으로, 높은 출력 특성을 나타내지만 상대적으로 낮은 에너지 밀도로 인해 제한된 분야에서만 적용되고 있다.EDLC is based on electrochemical phenomena on the surface of carbon materials and shows high output characteristics but is only applied in limited applications due to its relatively low energy density.
이러한 탄소재료 기반의 EDLC의 낮은 용량을 극복하고자, 나노구조 표면에서 발생하는 패러데이 반응(faradaic reaction)을 통해 전하를 저장하며, 전극/전해질 계면의 가역적인 산화/환원 반응을 이용하여 더 큰 정전 용량을 나타낼 수 있는 수도커패시터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. To overcome this low capacity of carbonaceous-based EDLCs, charges are stored through faradaic reactions occurring on the surface of nanostructures, and larger capacitances are achieved by using a reversible oxidation / reduction reaction at the electrode / electrolyte interface. There is an active research on the water capacitor which can represent.
그러나, 수계 전해질에서 작동되는 수도커패시터의 경우 음극용 전극 물질이 제한적이며, 이에 대한 연구가 매우 중요하다. 대표적인 음극 물질로서 바나듐 산화물이 알려져 있으나, 낮은 정전 용량 및 낮은 전기 전도도에 의한 낮은 출력 특성의 개선에 대한 요구를 만족시킬 성능을 구현하지 못하고 있는 실정이다. However, in the case of water capacitors operated in an aqueous electrolyte, the electrode material for the negative electrode is limited, and research on this is very important. Although a vanadium oxide is known as a representative cathode material, it does not realize the performance to satisfy the demand for improvement of low output characteristics due to low capacitance and low electrical conductivity.
또, 바나듐 산화물의 물성 제어를 통해 정전 용량 및 출력 특성을 향상시키고자 수열 합성, 침전 반응 등의 다양한 제조방법이 연구, 제안되었으나, 전기화학적 성능은 크게 개선되지 않았다.In addition, various manufacturing methods, such as hydrothermal synthesis and precipitation reaction, have been studied and proposed to improve the capacitance and output characteristics by controlling the properties of vanadium oxide, but the electrochemical performance has not been greatly improved.
이에 따라, 본 발명은 비정전 용량 특성이 우수한 수도커패시터용 음극 물질 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a negative electrode material for a water capacitor having excellent non-capacitance characteristics and a method of manufacturing the same.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속 산화물; 및 상기 금속 산화물과 결합된 전도성 무기물질을 포함하는, 금속 산화물-전도성 무기물질의 복합체를 포함하며, 상기 복합체는 전이금속 및 양쪽성 금속 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도핑원소로 도핑된, 수도커패시터용 음극 물질을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a metal oxide; And a composite of a metal oxide-conductive inorganic material comprising a conductive inorganic material combined with the metal oxide, wherein the composite is doped with one or more doping elements selected from the group consisting of transition metals and amphoteric metal elements. It provides a negative electrode material for a water capacitor.
또, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 금속 산화물, 전도성 무기물질 및 도핑원소의 원료물질을 혼합한 후, 카르복실산계 복합화제를 첨가하여 반응시키는 단계; 및 결과의 반응물을 열처리하는 단계를 포함하는, 상기한 수도커패시터용 음극 물질의 제조방법을 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, after mixing the metal oxide, the conductive inorganic material and the raw material of the doping element, adding and reacting by adding a carboxylic acid complexing agent; And it provides a method of producing a negative electrode material for a water capacitor, comprising the step of heat-treating the resulting reactant.
아울러, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기한 음극 물질을 포함하는 수도커패시터용 음극 및 수도커패시터를 각각 제공한다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a cathode and a water capacitor for a water capacitor including the negative electrode material are provided, respectively.
본 발명에 따른 수도커패시터용 음극 물질은, 금속 산화물과 전도성 무기물질의 복합체가 판상의 적층 구조를 가져 전극 표면에 대한 전해질의 접근이 용이하고, 또 도핑원소에 의해 도핑됨으로써, 도핑원소와 전도성 무기물질 사이의 전하 이동성이 증가하여 수도커패시터의 음극에 적용시 정전 용량 및 출력 특성을 비약적으로 개선시킬 수 있다.In the negative electrode material for water capacitor according to the present invention, a complex of a metal oxide and a conductive inorganic material has a plate-like laminated structure, which facilitates access of the electrolyte to the electrode surface, and is doped by a doping element, whereby the doping element and the conductive inorganic The increased charge transfer between materials can dramatically improve capacitance and output characteristics when applied to the cathode of a water capacitor.
도 1a는 실시예 1에서 사용된 바나듐 산화물에 대한 X선 회절 분석(X-ray powder diffraction, XRD) 결과를 나타낸 그래프이고, 도 1b는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 관찰 사진, 그리고 도 1c는 도 1b에서의 원 표시 부분의 확대도이다.
도 2a는 실시예 2에서 사용된 바나듐 산화물에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 2b는 SEM 사진, 그리고 도 2c는 도 2b에서의 원 표시 부분의 확대도이다.
도 3a 내지 3c는 실시예 1에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체를 다양한 배율로 관찰한의 SEM 사진이다.
도 4a 내지 도 4c는 실시예 2에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체의 다양한 배율로 관찰한 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 3에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체를 관찰한 SEM 사진이다.
도 6은 비교예 1에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체를 관찰한 SEM 사진이다.
도 7에서 a)는 실시예 1에서 제조한 음극 물질에 대한 전자현미경 관찰 사진이고, b)는 에너지 분산 분광기(energy dispersive spectrometer; EDS)를 이용한 원소분석 결과이다.
도 8에서 a)는 실시예 2에서 제조한 음극 물질에 대한 전자현미경 관찰 사진이고, b)는 EDS 원소분석 결과이다.
도 9는 실시예 1에서 제조한 음극 물질에 대하여 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)으로 측정한 CV 그래프이다.
도 10은 실시예 2에서 제조한 음극 물질에 대하여 순환전압전류법으로 측정한 CV 그래프이다.
도 11는 실시예 4에서 제조한 음극 물질에 대하여 순환전압전류법으로 측정한 CV 그래프이다.
도 12는 비교예 2에서 제조한 음극 물질에 대하여 순환전압전류법으로 측정한 CV 그래프이다.
도 13은 비교예 3에서 제조한 음극 물질에 대하여 순환전압전류법으로 측정한 CV 그래프이다.
도 14는 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1의 음극 물질의 출력 특성을 평가한 그래프이다.FIG. 1A is a graph showing X-ray diffraction (XRD) results of vanadium oxide used in Example 1, FIG. 1B is a scanning electron microscope (SEM) observation photograph, and FIG. 1C is an enlarged view of the circle display portion in FIG. 1B.
FIG. 2A is a graph showing the results of XRD analysis on the vanadium oxide used in Example 2, FIG. 2B is an SEM photograph, and FIG. 2C is an enlarged view of the circle display portion in FIG. 2B.
3A to 3C are SEM images of the composite of the vanadium oxide-carbonaceous material prepared in Example 1 at various magnifications.
4A to 4C are SEM photographs observed at various magnifications of the composite of the vanadium oxide-carbonaceous material prepared in Example 2. FIG.
FIG. 5 is a SEM photograph of the composite of the vanadium oxide-carbonaceous material prepared in Example 3. FIG.
6 is a SEM photograph of the composite of the vanadium oxide-carbon material prepared in Comparative Example 1. FIG.
In FIG. 7, a) is an electron microscope photograph of the negative electrode material prepared in Example 1, and b) is an elemental analysis result using an energy dispersive spectrometer (EDS).
In FIG. 8, a) is an electron microscope photograph of the negative electrode material prepared in Example 2, and b) is an EDS elemental analysis result.
9 is a CV graph measured by cyclic voltammetry (CV) of the negative electrode material prepared in Example 1. FIG.
FIG. 10 is a CV graph measured by cyclic voltammetry of the negative electrode material prepared in Example 2. FIG.
11 is a CV graph measured by cyclic voltammetry of the negative electrode material prepared in Example 4. FIG.
12 is a CV graph measured by cyclic voltammetry of the negative electrode material prepared in Comparative Example 2. FIG.
FIG. 13 is a CV graph measured by cyclic voltammetry of the negative electrode material prepared in Comparative Example 3. FIG.
14 is a graph evaluating output characteristics of the negative electrode materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. FIG.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. In the present invention, the terms first, second, etc. are used to describe various components, which terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Also, the terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise", "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, or combination thereof, that is, one or more other features, It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of adding or presenting numbers, steps, components, or combinations thereof.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated and described in detail below. However, this is not intended to limit the present invention to the specific form disclosed, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 구현예에 따른 수도커패시터용 음극 물질은, Cathode material for a water capacitor according to an embodiment of the present invention,
금속 산화물; 및 상기 금속 산화물과 결합한 전도성 무기물질을 포함하는 금속 산화물-전도성 무기물질의 복합체를 포함하며, Metal oxides; And a complex of metal oxide-conductive inorganic material including a conductive inorganic material combined with the metal oxide,
상기 복합체는 전이금속 및 양쪽성 금속 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도핑원소로 도핑된 것이다.The composite is doped with one or more doping elements selected from the group consisting of transition metals and amphoteric metal elements.
구체적으로, 본 발명에서는 금속 산화물계 수도커패시터용 음극 물질의 제조시, 카르복실산계 복합화제(complexing agent)를 이용하여 판상 적층 구조의 금속 산화물-전도성 무기물질의 복합체를 형성하고, 또 상기 복합체를 도핑원소로 도핑함으로써, 도핑원소와 전도성 무기물질 사이의 전하 이동성이 증가하고, 또 전극 표면에 대한 전해질의 접근이 용이하게 되어, 정전 용량 및 출력 특성이 비약적으로 개선될 수 있다. Specifically, in the present invention, when preparing a negative electrode material for a metal oxide-based water capacitor, a complex of a metal oxide-conductive inorganic material having a plate-like laminated structure is formed by using a carboxylic acid complexing agent, and the composite is By doping with the doping element, the charge transfer between the doping element and the conductive inorganic material is increased, and the access of the electrolyte to the electrode surface is facilitated, and the capacitance and output characteristics can be drastically improved.
보다 구체적으로, 상기 금속 산화물과 전도성 무기물질의 복합화시, 카르복실산계 복합화제 투입에 의해 전도성 무기물질의 표면에 존재하는 반응성 작용기, 예를 들면 탄소계 물질의 경우 표면에 존재하는 하이드록실계 작용기와, 금속 산화물이 반응하여 결합을 형성하게 된다. 이때 상기 금속 산화물이 바나듐 산화물과 같이 판상 구조를 갖는 경우에는, 복수 개의 판상의 바나듐 산화물 사이에 탄소계 물질이 개재되어 적층됨으로써 판상 적층 구조를 형성하게 된다. 그 결과 전극 표면에 대한 전해질의 접근성이 우수하게 되어, 이를 포함하는 수도커패시터의 정전 용량 및 출력 특성이 더욱 향상될 수 있다. More specifically, when complexing the metal oxide and the conductive inorganic material, reactive functional groups present on the surface of the conductive inorganic material by adding a carboxylic acid complexing agent, for example, hydroxyl-based functional groups present on the surface of the carbon-based material And the metal oxide react to form a bond. At this time, when the metal oxide has a plate-like structure like vanadium oxide, the plate-like stacked structure is formed by laminating a plurality of plate-like vanadium oxides interposed therebetween. As a result, the accessibility of the electrolyte to the surface of the electrode may be excellent, and the capacitance and output characteristics of the water capacitor including the same may be further improved.
또, 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복합체에 있어서 금속 산화물과 전도성 무기물질의 함량 최적화를 통해 효과를 더욱 개선시킬 수 있다. 구체적으로 상기 복합체에 있어서, 금속 산화물은 전도성 무기물질 100중량부에 대하여 1 내지 30중량부로 포함될 수 있다. 금속 산화물의 함량이 상기한 범위 내에 있을 때, 복합체의 응집현상 및 불균일한 분산성 또는 탄소계 물질의 상대적인 전도 경로(conducting path) 감소에 따른 효과 저하의 우려없이 우수한 정전 용량 및 출력 특성 개선 효과를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 금속 산화물은 전도성 무기물질 100중량부에 대하여 10 내지 15중량부로 포함될 수 있다.In addition, according to one embodiment of the invention, the effect can be further improved through the optimization of the content of the metal oxide and the conductive inorganic material in the composite. Specifically, in the composite, the metal oxide may be included in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive inorganic material. When the content of the metal oxide is within the above-mentioned range, it is possible to obtain excellent capacitance and output characteristics improvement effect without fear of deterioration of the effect due to the aggregation phenomenon and uneven dispersibility of the composite or the reduction of the relative conducting path of the carbon-based material. Can be represented. More specifically, the metal oxide may be included in 10 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive inorganic material.
한편, 상기 복합체에 있어서 전도성 무기물질은 구체적으로 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노파이버(CNF), 탄소나노로드(carbon nanorods; CNRs), 증기 성장 탄소 파이버(VGCF), 그래핀(graphene), 또는 활성탄 등과 같은 탄소계 물질일 수 있으며, 이중에서도 CNT, CNF, CNRs, 또는 VGCF와 같은 섬유상의 탄소계 물질일 수 있다. 상기한 물질 중 1종 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다. On the other hand, the conductive inorganic material in the composite is specifically carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), carbon nanorods (carbon nanorods; CNRs), steam growth carbon fibers (VGCF), graphene (graphene), Or a carbon-based material such as activated carbon, among others, may be a fibrous carbon-based material such as CNT, CNF, CNRs, or VGCF. One of the above materials may be used alone or in combination of two or more thereof.
본 발명에 있어서 '섬유상'이란 탄소계 물질의 중심을 지나는 장축(길이)과, 상기 장축에 대해 수직하며 탄소계 물질의 중심을 지나는 단축(직경)의 비, 즉 종횡비(=길이/직경의 비)가 1 초과로, 장축 방향으로 긴 형태를 가지며, 막대, 튜브, 섬유 또는 이들의 유사 형태를 모두 포괄한다. In the present invention, 'fibrous' is the ratio of the long axis (length) passing through the center of the carbonaceous material and the short axis (diameter) perpendicular to the long axis and passing through the center of the carbonaceous material, that is, the aspect ratio (= length / diameter ratio). ) Is longer than 1, long in the longitudinal direction, and encompasses rods, tubes, fibers, or similar forms thereof.
또, 상기 전도성 무기물질은 전자파 차폐 물질로 알려진 맥신(Mxene)일 수 있다. 상기 맥신은 그래핀과 유사하게 앞전이금속(M)의 층과, 탄소 및 질소 중 적어도 1종을 포함하는 X층으로 이루어진 층상 구조를 가지며, 우수한 전도성을 나타낸다. 상기 앞전이금속(M)은 Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, 또는 Ta 등일 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. In addition, the conductive inorganic material may be Maxine (Mxene) known as the electromagnetic shielding material. The maxine has a layered structure composed of a layer of the front transition metal (M) and an X layer including at least one of carbon and nitrogen, similar to graphene, and exhibits excellent conductivity. The front transition metal (M) may be Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and the like, and may include any one or two or more thereof.
구체적으로 상기 맥신으로는 Ti2C, (Ti0 . 5,Nb0 . 5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Zr3C2, Hf3C2, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2, 또는 Mo2Ti2C3와 같은 카바이드(carbide )계 물질; Cr2N 또는 Ti4N3과 같은 니트라이드(nitride)계 물질; Ti3CN과 같은 카보나이트리드(carbonitride)계 물질 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질이 사용될 수 있다. 이중에서도 다공성이어서 보다 넓은 비표면적을 제공할 수 있는 Ti3C2, Nb2C 및 V2C 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물질이 사용될 수 있다. Specifically, in the Maxine Ti 2 C, (Ti 0. 5,
전도성 무기물질의 제어에 따른 효과의 현저함을 고려할 때, 상기 전도성 무기물질은 보다 구체적으로 CNT일 수 있다. CNT의 경우 중심에 중공을 포함하고, 탄도 전자 터널링(Ballistic electron tunneling) 효과 및 우수한 강도로 충/방전 중 입자형상 유지의 특성으로 인해 정전 용량 개선 효과 면에서 보다 우수한 효과를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 직경이 1nm 내지 200nm, 또는 5nm 내지 50nm, 또는 5 내지 20nm인 CNT일 수 있다. Considering the remarkable effect of the control of the conductive inorganic material, the conductive inorganic material may be more specifically CNT. In the case of CNT, the hollow core is included in the center, and the ballistic electron tunneling effect and the excellent strength of the particle shape during charging / discharging can exhibit a better effect in terms of capacitance improvement. More specifically, the diameter may be 1 nm to 200 nm, or 5 nm to 50 nm, or 5 to 20 nm CNT.
본 발명에 있어서 상기 CNT의 직경은 주사전자현미경 관찰 등 통상의 방법에 따라 측정될 수 있다.In the present invention, the diameter of the CNT can be measured according to a conventional method such as scanning electron microscope observation.
또, 상기 탄소나노튜브는 구체적으로 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으며, 이중에서도 그 특유의 구조로 인해 우수한 전기적, 기계적 특성을 나타낼 수 있는 다중벽 CNT일 수 있다.In addition, the carbon nanotubes may be specifically single-walled, double-walled or multi-walled carbon nanotubes, it may be a multi-walled CNT that can exhibit excellent electrical and mechanical properties due to its unique structure.
한편, 상기 복합체에 있어서 금속 산화물은 구체적으로 V, Sn, Ru, Ir, Ta, Mn, Mo, 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 산화물일 수 있으며, 이중에서도 판상 구조를 갖는 금속 산화물일 수 있으며, 보다 구체적으로는 바나듐 5산화물(V2O5)과 같은 바나듐 산화물일 수 있다.In the composite, the metal oxide may be an oxide including at least one metal selected from the group consisting of V, Sn, Ru, Ir, Ta, Mn, Mo, and Ti. It may be a metal oxide having, and more specifically, it may be a vanadium oxide such as vanadium pentoxide (V 2 O 5 ).
상기 바나듐 산화물이 사용될 경우 형태 및 입자 크기가 특별히 한정되는 것은 아니며, 카르복실산계 복합화제의 종류에 따른 형상 변화가 일어날 수도 있으나, 전해액과의 접촉 면적 증가를 통한 정전 용량 개선을 위해 상기 바나듐 산화물은 판상의 형태를 갖는 것일 수 있다. When the vanadium oxide is used is not particularly limited in shape and particle size, the shape change may occur according to the type of carboxylic acid complexing agent, but the vanadium oxide is to improve the capacitance by increasing the contact area with the electrolyte It may have a plate shape.
한편, 본 발명에 있어서 "판상"이란, 서로 대응 또는 대면하는 두 면이 편평하고, 수평 방향의 크기가 수직 방향의 크기보다 큰 구조를 갖는 것으로서, 완전한 판상 형상은 물론 판상과 유사한 형상인 플레이크(flake)상, 비늘상 등도 포함할 수 있다. On the other hand, in the present invention, the "plate shape" is a structure in which two surfaces corresponding or facing each other are flat, and the size in the horizontal direction is larger than the size in the vertical direction. flake), scales, and the like.
또, 상기 복합체는 전이금속 및 양쪽성 금속 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도핑원소를 더 포함한다. In addition, the composite further includes one or more doping elements selected from the group consisting of transition metals and amphoteric metal elements.
구체적으로 상기 도핑원소는 상기 복합체에서의 금속 산화물, 전도성 무기물질 또는 둘 모두에 대해 도핑되어 포함될 수 있다. 보다 구체적으로는 금속 산화물 또는 전도성 무기물질의 결정 구조 내에 포함될 수도 있고, 또는 이들 물질의 표면에 물리적 또는 화학적 결합을 통해 위치할 수도 있다. 이중에서도 상기 도핑원소가 금속 산화물의 결정 구조내로 도핑될 경우, 결정 구조의 안정성이 향상될 수 있고, 또 전도성 무기물질에 도핑될 경우 도핑원소와 탄소계 물질 사이의 전하 이동성이 증가하게 됨으로써 정전 용량 및 출력 특성의 개선 효과가 더욱 향상될 수 있다.Specifically, the doping element may be included doped with a metal oxide, a conductive inorganic material or both in the composite. More specifically, it may be included in a crystal structure of a metal oxide or a conductive inorganic material, or may be located through physical or chemical bonding to the surface of these materials. In particular, when the doping element is doped into the crystal structure of the metal oxide, the stability of the crystal structure can be improved, and when doped with a conductive inorganic material, the charge transfer between the doping element and the carbon-based material increases, thereby increasing the capacitance And the improvement effect of the output characteristic can be further improved.
상기 도핑원소는 구체적으로 Mn, Cr, Cu, Mo, Ni, Ti 등과 같은 전이금속 원소; 또는 Al, Zn, Sn, Bi 등과 같은 양쪽성 금속 원소 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소가 사용될 수 있다. 이중에서도 Mn, Cr, 및 Mo를 포함하는 전이금속과, Al의 양쪽성 금속 원속으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 원소의 경우 전극물질 표면의 전하의 이동성 증가로 인한 전기전도도 향상으로 보다 우수한 정전 용량 개선 효과를 나타낼 수 있으며, 보다 구체적으로는 Mn 및 Al 중 적어도 하나, 보다 더 구체적으로는 Mn이 사용될 수 있다. Specifically, the doping element may be a transition metal element such as Mn, Cr, Cu, Mo, Ni, Ti, or the like; Or an amphoteric metal element such as Al, Zn, Sn, Bi, or the like, and any one or two or more of these may be used. Among them, any one or two or more elements selected from the group consisting of transition metals containing Mn, Cr, and Mo, and an amphoteric metal atom of Al may be improved due to an increase in electrical conductivity due to an increase in charge mobility on the surface of the electrode material. It can exhibit an excellent capacitance improvement effect, more specifically at least one of Mn and Al, even more specifically Mn may be used.
또, 상기 도핑원소로의 도핑시 도핑 함량의 최적화를 통해 도핑에 따른 정전 용량 개선 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 도핑원소는 복합체를 구성하는 구성원소들의 총 원자량에 대하여, 0.1 내지 30원자%의 양으로 포함될 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.1 원자% 이상, 또는 0.3원자% 이상이고, 20원자% 이하, 또는 10원자% 이하, 또는 5원자% 이하의 양으로 포함될 수 있다. In addition, when the doping element to the doping element through the optimization of the doping content it can further improve the capacitance improvement effect according to the doping. Specifically, the doping element may be included in an amount of 0.1 to 30 atomic%, more specifically 0.1 atomic% or more, or 0.3 atomic% or more, based on the total atomic weight of the member elements constituting the complex. Up to 10 atomic%, or up to 5 atomic%.
보다 더 구체적으로, 상기 복합체에 있어서 상기 금속 산화물은 바나듐 산화물이고, 상기 전도성 무기물질은 탄소나노튜브이며, 상기 도핑원소는 Al 및 Mn 중 적어도 어느 하나인 경우, 수도커패시터의 정전 용량 및 출력 특성이 보다 향상시킬 수 있으며, 상기한 조합 내에서 함량이 최적화될 경우 그 효과는 더욱 개선될 수 있다.More specifically, in the composite, when the metal oxide is vanadium oxide, the conductive inorganic material is carbon nanotube, and the doping element is at least one of Al and Mn, the capacitance and output characteristics of the water capacitor are different. It can be further improved, and the effect can be further improved if the content is optimized in the above combination.
한편, 상기한 수도커패시터용 음극 물질은, 금속 산화물, 전도성 무기물질 및 도핑원소의 원료물질을 혼합한 후, 카르복실산계 복합화제를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 1); 및 결과의 반응물을 열처리하는 단계(단계 2)를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 수도커패시터용 음극 물질의 제조방법이 제공된다. On the other hand, the negative electrode material for the water capacitor, a step of reacting by adding a carboxylic acid complexing agent after mixing the metal oxide, the conductive inorganic material and the raw material of the doping element (step 1); And a step (step 2) of heat treating the resulting reactant. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a negative electrode material for a water capacitor is provided.
구체적으로, 수도커패시터용 음극 물질의 제조방법에 있어서, 단계 1은 금속산화물, 전도성 무기물질, 도핑원소의 원료물질 및 카르복실산계 복합화제를 혼합하여 반응시키는 단계이다.Specifically, in the method of manufacturing a negative electrode material for a water capacitor,
상기 금속 산화물 및 전도성 무기물질은 앞서 설명한 바와 같으며, 또 상술한 복합체내 포함되는 금속 산화물 및 전도성 무기물질의 함량 범위를 충족하도록 하는 양으로 사용될 수 있다. 또, 금속 산화물의 경우 과산화수소수; 또는 염산 등의 산에 용해시킨 용액상으로, 탄소계 물질의 경우 물, 또는 카르복시메틸셀룰로오스와 같은 분산매 등에 분산시킨 분산액 상태로 각각 사용될 수 있다. The metal oxide and the conductive inorganic material are as described above, and may be used in an amount to satisfy the content range of the metal oxide and the conductive inorganic material included in the above-described composite. In the case of a metal oxide, hydrogen peroxide solution; Or in the solution phase dissolved in an acid such as hydrochloric acid, in the case of a carbon-based material can be used in a dispersion state dispersed in water or a dispersion medium such as carboxymethyl cellulose.
상기 도핑원소의 원료물질로는, 도핑원소를 포함하는 황산염, 질산염, 염화물, 아세트산염 및 탄산염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 이때 상기 도핑원소는 앞서 설명한 바와 같다. 보다 구체적으로는 도핑원소를 포함하는 황산염, 보다 구체적으로는 Mn 및 Al 중 적어도 1종을 포함하는 황산염이 사용될 수 있다. As a raw material of the doping element, any one or two or more mixtures selected from the group consisting of sulfate, nitrate, chloride, acetate and carbonate containing a doping element may be used, wherein the doping element is as described above. . More specifically, sulfates containing doping elements, more specifically sulfates containing at least one of Mn and Al may be used.
상기 도핑원소의 원료물질의 사용량은 앞서 설명한 바와 같은 복합체내 도핑원소의 함량 범위 내에서 결정될 수 있다. The amount of the raw material of the doping element may be determined within the content range of the doping element in the composite as described above.
또, 상기 카르복실산계 복합화제는 전도성 무기물질 표면에 대해 카르복실기, 히드록실기, 또는 아미노기와 같은 반응성 작용기를 도입시켜 금속 산화물의 침착을 위한 핵 형성 부위를 제공한다. 그 결과 전도성 무기물질과 금속 산화물의 결합이 촉진됨으로써 금속산화물-전도성 무기물의 복합체가 형성되게 되며, 상기 금속 산화물이 판상 구조를 갖는 경우에는 판상 적층 구조의 복합체가 형성되게 된다. 또, 상기 카르복실산계 복합화제는 전해액 조성물 내에서 금속 이온과 킬레이트 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 킬레이트 구조는 전지의 충방전 용량을 증가시킬 수 있다. 또, 상기 카르복실산계 복합화제는 금속 이온의 안정성이나 반응성의 향상, 부반응의 억제, 내부 저항의 저감 등을 도모할 수 있다.The carboxylic acid-based complexing agent also introduces reactive functional groups such as carboxyl groups, hydroxyl groups, or amino groups to the surface of the conductive inorganic material to provide nucleation sites for the deposition of metal oxides. As a result, the bonding between the conductive inorganic material and the metal oxide is promoted, thereby forming a complex of a metal oxide-conductive inorganic material. When the metal oxide has a plate-like structure, a composite of a plate-like stacked structure is formed. In addition, the carboxylic acid-based complexing agent may form a chelate structure with a metal ion in the electrolyte composition, such chelate structure may increase the charge and discharge capacity of the battery. In addition, the carboxylic acid-based complexing agent can improve the stability and reactivity of metal ions, suppress side reactions, reduce internal resistance, and the like.
상기 카르복실산계 복합화제는 분자내 1개 이상의 카르복실기를 포함하는 화합물로서, 구체적으로는 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 부티르산(butyric acid), 발레르산(valeric acid), 헥사노산(hexanoic acid), 헵타노산(heptanoic acid), 카프릴산(caprylic acid), 노나노산(nonanoic acid), 데카노산(decanoic acid), 운데실산(undecylenic acid), 라우릴산(lauric acid), 트리데실산(tridecylic acid), 미리스트산(myristic acid), 펜타데카노산(pentadecanoic acid), 또는 팔미트산(palmitic acid)과 같은 모노카르복실산; 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 피멜산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아젤라산(azelaic acid), 세바식산(sebacic acid) , 말레인산(maleic acid), 푸마르산(fumaric acid), 글루타콘산(glutaconic acid), 트라우마트산(traumatic acid), 무콘산(muconic acid), 프탈산(phthalic acid), 이소프탈산(isophthalic acid) 또는 테레프탈산(terephthalic acid)과 같은 디카르복실산; 시트르산(citric acid), 이소시트르산(isocitric acid), 아콘산(aconitic acid), 또는 멜리트산(mellitic acid)과 같이 3개 이상의 카르복실기를 갖는 다가 카르복실산 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또, 상기 카르복실계 복합화제로는 카르복실기와 함께 아미노기를 더 포함하는 아미노산이 사용될 수도 있다. 구체적인 예로는 글루타민, 리신, 히스티딘, 세린, 쓰레오닌, 타이로신, 시스틴, 시스테인, 아르기닌, 프롤린, 글루탐산, 아스파르트산, 아스파라진, 또는 글루타민 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The carboxylic acid-based complexing agent is a compound containing at least one carboxyl group in the molecule, specifically formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid acid), hexanoic acid, heptanoic acid, caprylic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecylenic acid, lauryl acid ( monocarboxylic acids such as lauric acid, tridecylic acid, myristic acid, pentadecanoic acid, or palmitic acid; Oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, Azelaic acid, sebacic acid, maleic acid, fumaric acid, glutaconic acid, glutaconic acid, traumatic acid, muconic acid, phthalic acid ( dicarboxylic acids such as phthalic acid), isophthalic acid or terephthalic acid; Polyhydric carboxylic acids having three or more carboxyl groups, such as citric acid, isocitric acid, aconic acid, or melic acid, and any one of them, or Mixtures of two or more may be used. In addition, as the carboxyl complexing agent, an amino acid further including an amino group together with a carboxyl group may be used. Specific examples include glutamine, lysine, histidine, serine, threonine, tyrosine, cystine, cysteine, arginine, proline, glutamic acid, aspartic acid, asparagine, glutamine, and the like. Can be used.
이중에서도 보다 우수한 복합화제의 효과를 고려할 때, 아세트산, 시트르산, 아스파르트산, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는 L-아스파르트산이 사용될 수 있다. Among these, acetic acid, citric acid, aspartic acid, or mixtures thereof may be used, and more specifically, L-aspartic acid may be used in view of the effect of a better complexing agent.
상기 카르복실산계 복합화제는 도핑원소의 원료물질 1몰에 대하여 1 내지 50몰비, 보다 구체적으로는 4 내지 40몰비로 사용될 수 있다. 또, 상기 카르복실산계 복합화제는 도핑원소의 원료물질에 대한 함량비 범위를 충족하는 조건하에, 금속산화물 100중량부에 대하여 200 내지 1000중량부, 보다 구체적으로는 200 내지 500중량부, 보다 더 구체적으로는 300 내지 400중량부로 사용될 수 있다. 상기한 함량 범위로 사용될 때 미반응 복합화제의 잔류로 인한 부반응 발생의 우려 없이 충분한 복합화제 효과를 나타낼 수 있다. The carboxylic acid-based complexing agent may be used in 1 to 50 molar ratio, more specifically 4 to 40 molar ratio with respect to 1 mole of the raw material of the doping element. In addition, the carboxylic acid-based complexing agent is 200 to 1000 parts by weight, more specifically 200 to 500 parts by weight, and even more, based on 100 parts by weight of the metal oxide under conditions satisfying the content ratio range of the doping element to the raw material Specifically, it may be used in 300 to 400 parts by weight. When used in the above content range, it is possible to exhibit a sufficient complexing agent effect without fear of occurrence of side reactions due to the residual of the unreacted complexing agent.
상기 카르복실산계 복합화제는 고체 또는 액체일 수 있으며, 용액 또는 분산액의 형태로 투입될 수 있다. 보다 구체적으로는 물 및 산의 혼합물에 용해된 용액상으로 투입될 수 있다. 이때 상기 산은 나노 입자를 판상구조의 형태로 조립 및 유지시켜주는 역할을 하는 것으로, 구체적으로는 아스코르브산(ascorbic acid), 또는 염산 등이 사용될 수 있으며, 상기 물 100ml에 대해 5 내지 20mml의 양으로 사용될 수 있다. The carboxylic acid-based complexing agent may be a solid or a liquid, and may be added in the form of a solution or a dispersion. More specifically, it may be added in the form of a solution dissolved in a mixture of water and acid. At this time, the acid serves to assemble and maintain the nanoparticles in the form of a plate-like structure, specifically, ascorbic acid or hydrochloric acid may be used, and the amount of 5 to 20mml with respect to 100ml of the water. Can be used.
상기 금속 산화물, 전도성 무기물질, 도핑원소의 원료물질 및 카르복실산계 복합화제의 반응은, 금속 산화물, 전도성 무기물질, 및 도핑원소의 원료물질의 혼합 후 카르복실산계 복합화제를 투입함으로써 수행될 수 있다.The reaction of the metal oxide, the conductive inorganic material, the raw material of the doping element and the carboxylic acid complexing agent may be carried out by adding a carboxylic acid complexing agent after mixing the metal oxide, the conductive inorganic material, and the raw material of the doping element. have.
이때, 상기한 금속 산화물, 전도성 무기물질, 및 도핑원소의 원료물질의 혼합은 통상의 방법에 따라 혼합될 수 있으며, 교반 등 균질 혼합을 위한 공정을 선택적으로 더 포함할 수도 있다. In this case, the metal oxide, the conductive inorganic material, and the mixing of the raw material of the doping element may be mixed according to a conventional method, and may further include a step for homogeneous mixing, such as stirring.
또, 상기 금속 산화물, 전도성 무기물질, 및 도핑원소의 원료물질의 혼합 후 카르복실산계 복합화제 투입 전에 알코올계 화합물이 더 투입될 수 있다.In addition, after mixing the metal oxide, the conductive inorganic material, and the raw material of the doping element, the alcohol compound may be further added before the carboxylic acid complexing agent is added.
상기 알코올계 화합물은 합성 수율을 증가시키는 역할을 하는 것으로, 구체적으로는 에탄올 등이 사용될 수 있다. 상기 알코올계 화합물은 상기 금속 산화물, 전도성 무기물질 및 도핑원소의 원료물질의 혼합물 100 중량부에 대해 100 내지 200중량부로 투입될 수 있다. The alcohol compound serves to increase the synthetic yield, specifically, ethanol and the like can be used. The alcohol compound may be added in an amount of 100 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixture of the metal oxide, the conductive inorganic material, and the raw material of the doping element.
또, 상기 금속 산화물, 전도성 무기물질, 도핑원소의 원료물질 및 카르복실산계 복합화제의 반응은 40 내지 80℃, 보다 구체적으로는 60 내지 70℃에서 수행될 수 있다. 상기한 온도 범위에서 수행시 과반응 또는 미반응에 대한 우려 없이 우수한 효율로 반응이 수행될 수 있다. In addition, the reaction of the metal oxide, the conductive inorganic material, the raw material of the doping element and the carboxylic acid complexing agent may be carried out at 40 to 80 ℃, more specifically at 60 to 70 ℃. When performed in the above temperature range, the reaction can be carried out with excellent efficiency without fear of overreaction or unreacted.
또, 반응 효율을 높이기 위하여 환류(reflux) 등의 공정이 선택적으로 더 수행될 수도 있다.In addition, a process such as reflux may be optionally further performed to increase the reaction efficiency.
상기 금속 산화물, 전도성 무기물질, 도핑원소의 원료물질 및 카르복실산계 복합화제의 반응의 결과로, 반응물이 침전되게 된다. As a result of the reaction of the metal oxide, the conductive inorganic material, the raw material of the doping element and the carboxylic acid complexing agent, the reactant is precipitated.
침전된 반응물에 대해서는 원심 분리 등 통상의 방법에 따른 분리 공정 및 분리된 반응물에 대해 물, 에탄올 등의 세척 용매를 이용한 불순물 제거 공정이 수행될 수 있다.For the precipitated reactant, a separation process according to a conventional method such as centrifugal separation and an impurity removal process using a washing solvent such as water and ethanol may be performed on the separated reactant.
또, 분리 세척된 반응물에 대한 건조 공정이 선택적으로 더 수행될 수도 있다. 상기 건조 공정은 통상의 방법을 이용하여 수행될 수 있으나, 본 발명에서는 판상 구조의 복합체 형상 유지 및 건조 시 응집 현상 방지를 이유로 동결건조 방법이 이용될 수 있다. In addition, a drying process for the separately washed reactant may optionally be further performed. The drying process may be performed using a conventional method, but in the present invention, a freeze-drying method may be used because of maintaining the composite shape of the plate-like structure and preventing the aggregation phenomenon during drying.
다음으로 단계 2는 상기 단계 1에서 수득한 반응물에 대해 열처리하여 음극 물질을 제조하는 단계이다.Next,
단계 1에서 수득한 반응물은 금속 산화물이 카르복실산계 화합물 유래 작용기를 매개로 전도성 무기물질과 결합하여 형성된 복합체에 도핑원소의 원료물질이 결합된 상태인데, 이에 대해 열처리를 함으로써, 판상의 금속 산화물 사이에 전도성 무기물질이 개재된 판상 적층 구조의 복합체에 도핑원소가 원소 상태로 도핑되어 포함된 음극 물질이 수득되게 된다. The reactant obtained in
상기 열처리 공정은 250 내지 350℃에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 270 내지 300℃에서 수행될 수 있다. 상기한 온도 범위내에서 수행시 미반응 및 과반응에 따른 부반응물 생성의 우려 없이 우수한 효율로 음극 물질을 수득할 수 있다.The heat treatment process may be carried out at 250 to 350 ℃, more specifically may be carried out at 270 to 300 ℃. When performed within the above temperature range, it is possible to obtain a negative electrode material with excellent efficiency without fear of generation of side reactants due to unreacted and overreacted.
상기와 같은 제조방법에 따라 제조된 음극 물질은 금속 산화물과 전도성 무기물질의 복합체가 판상의 적층 구조를 가져 전극 표면에 대한 전해질의 접근이 용이하고, 또 도핑원소에 의해 도핑됨으로써, 도핑원소와 전도성 무기물질 사이의 전하 이동성이 증가하여 수도커패시터의 음극에 적용시 정전 용량 및 출력 특성을 비약적으로 개선시킬 수 있다. The negative electrode material prepared according to the above-described manufacturing method has a plate-like laminated structure of a complex of a metal oxide and a conductive inorganic material, which facilitates access of the electrolyte to the surface of the electrode, and is doped by a doping element, whereby The increase in charge transfer between inorganic materials can dramatically improve the capacitance and output characteristics when applied to the cathode of the water capacitor.
이에 따라 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 음극 물질을 포함하는 수도커패시터용 음극 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 수도커패시터용 음극이 제공된다 Accordingly, according to another embodiment of the present invention, there is provided a composition for forming a negative electrode for a water capacitor comprising the negative electrode material and a negative electrode for a water capacitor manufactured using the same.
구체적으로, 상기 수도커패시터용 음극 형성용 조성물은 상기한 음극 물질을 포함하며, 바인더 및 도전재 중 적어도 1종을 선택적으로 더 포함할 수 있다.Specifically, the negative electrode composition for water capacitor may include the negative electrode material described above, and may further include at least one of a binder and a conductive material.
상기 도전재는 음극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 수도커패시터에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연 또는 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 카본블랙 또는 아세틸렌 블랙이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 음극 물질 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부로 포함될 수 있다. The conductive material is used to impart conductivity to the cathode, and may be used without particular limitation as long as the conductive capacitor has electronic conductivity without causing chemical change. Specific examples thereof include graphite such as natural graphite and artificial graphite, or carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon fiber, and the like. One or two or more mixtures may be used. More specifically, carbon black or acetylene black may be used. The conductive material may be included in an amount of 10 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode material.
또, 상기 바인더는 음극 물질 입자들 간의 부착 및 음극 물질과 집전체와의음극의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이중에서도 전해질에 대해 보다 높은 안정성을 나타낼 수 있는 PVDF, PTFE 등의 불소계 고분자의 바인더가 사용될 수 있다. 상기 바인더는 음극 물질 100중량부에 대하여 10 내지 20중량부로 포함될 수 있다.In addition, the binder serves to improve adhesion between the negative electrode material particles and adhesion of the negative electrode to the negative electrode and the current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose (CMC). ), Starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubbers, or various copolymers thereof, and the like, and one or more of these may be used. Of these, binders of fluorine-based polymers such as PVDF and PTFE may be used, which may exhibit higher stability to the electrolyte. The binder may be included in an amount of 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode material.
또, 상기 수도커패시터에서의 음극은 상기한 음극 형성용 조성물을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 상기한 음극 형성용 조성물을 구리 알루미늄, 니켈 또는 스테인레스강 등의 집전체 상에 도포한 후 압착 및 건조함으로써 제조될 수 있다. In addition, the negative electrode in the water capacitor may be manufactured according to a conventional method except for using the composition for forming the negative electrode. In one example, the composition for forming the negative electrode may be prepared by coating on a current collector, such as copper aluminum, nickel or stainless steel, followed by pressing and drying.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 음극을 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 커패시터일 수 있으며, 보다 구체적으로는 수도커패시터일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an electrochemical device including the cathode is provided. The electrochemical device may be specifically a capacitor, and more specifically, may be a water capacitor.
상기 수도커패시터는 구체적으로 양극과 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재된 분리막, 및 전해질을 포함하며, 상기 음극은 앞서 설명한 바와 같다. The water capacitor specifically includes a positive electrode and a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, and the negative electrode is as described above.
이외 수도커패시터의 구성 및 제조방법은 통상의 방법에 따라 수행될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. In addition, since the configuration and manufacturing method of the water capacitor may be performed according to a conventional method, a detailed description thereof will be omitted.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The invention is explained in more detail in the following examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1 Example 1
둥근 플라스크에 V2O5 0.9g, 탈이온수 30ml, H2O2 20ml를 넣고 교반하였다. 여기에 탈이온수 30ml 중에 CNT 6g (상기 CNT 6g은, CNT는 CMC(carboxymethylcellulose)에 분산된 분산액으로 투입되는데 이때, 투입되는 분산액 중에 포함된 CNT 함량을 의미함(분산액 중 CNT 농도=5중량%), CNT 직경=9~11nm임)을 분산시킨 분산액을 첨가하고, 도핑원소 원료물질로서 Al2(SO4)3 0.5mmol을 첨가하여 혼합하였다. 에탄올 100ml를 추가로 첨가한 후, 결과의 혼합물에, L-아스파르트산 20ml(도핑원소의 원료물질 1몰 기준 4몰/ V2O5 100중량부에 대하여 400중량부에 해당함), 탈이온수 70ml 및 6N HCl 5ml를 혼합하여 제조한 용액을 점적하고, 60℃에서 12시간 동안 환류를 실시하였다. 결과로 침전된 물질을 원심분리기로 분리하고, 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 결과의 수득물을 3일동안 동결건조한 후, 튜브 퍼니스에서 270℃ 온도 조건에서 12시간 열처리하여, V2O5의 금속산화물-CNT 복합체에 대해 Al이 도핑된 음극 물질을 제조하였다.0.9 g of V 2 O 5 , 30 ml of deionized water, and 20 ml of H 2 O 2 were added to a round flask and stirred. Here, CNT 6g (30% of CNT, CNT is added as a dispersion dispersed in CMC (carboxymethylcellulose) in 30 ml of deionized water, which means CNT content contained in the added dispersion (CNT concentration in dispersion = 5% by weight). And CNT diameter = 9-11 nm) was added, and 0.5 mmol of Al 2 (SO 4 ) 3 was added and mixed as a doping element raw material. After further 100 ml of ethanol was added, 20 ml of L-aspartic acid (corresponding to 400 parts by weight based on 100 parts by weight of 4 moles / V 2 O 5 based on 1 mole of doping element) and 70 ml of deionized water were added to the resulting mixture. And a solution prepared by mixing 5 ml of 6N HCl, and refluxed at 60 ° C. for 12 hours. The precipitated material was separated by centrifugation and washed with deionized water and ethanol to remove impurities. The resultant product was lyophilized for 3 days, and then heat-treated in a tube furnace at 270 ° C. for 12 hours to prepare an Al doped anode material for the metal oxide-CNT composite of V 2 O 5 .
실시예 2 Example 2
상기 실시예 1에서 Al2(SO4)3 0.5mmol 대신에 MnSO4 1mmol을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여, V2O5의 금속산화물-CNT 복합체에 대해 Mn이 도핑된 음극 물질을 제조하였다.Except for using MnSO 4 1mmol instead of Al 2 (SO 4 ) 3 0.5mmol in Example 1, it was carried out in the same manner as in Example 1, to the metal oxide-CNT complex of V 2 O 5 A negative electrode material doped with Mn was prepared.
실시예 3 Example 3
상기 실시예 1에서 Al2(SO4)3 0.5mmol 대신에 Cu(NO3)2 1mmol을 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여, V2O5의 금속산화물-CNT 복합체에 대해 Cu가 도핑된 음극 물질을 제조하였다.A metal oxide of V 2 O 5 was carried out in the same manner as in Example 1, except that 1 mmol of Cu (NO 3 ) 2 was used instead of 0.5 mmol of Al 2 (SO 4 ) 3 in Example 1. Cu-doped negative electrode material was prepared for the -CNT composite.
실시예 4 Example 4
둥근 플라스크에 V2O5 0.9g, 탈이온수 30ml, H2O2 20ml를 넣고 교반하였다. 여기에 탈이온수 30ml 중에 그래핀옥사이드 60g (상기 그래핀 옥사이드 60g은, 그래핀 옥사이드는 수분산된 분산액으로 투입되는데 이때, 투입되는 분산액 중에 포함된 그래핀 옥사이드 함량 60g을 의미함(분산액 중 그래핀옥사이드 농도=5중량%)을 첨가하고, 도핑원소 원료물질로서 MnSO4 1mmol을 첨가하여 혼합하였다. 에탄올 100ml를 추가로 첨가한 후, 결과의 혼합물에 L-아스파르트산 20ml, 탈이온수 70ml 및 6N HCl 5ml를 혼합하여 제조한 용액을 점적하고, 60℃에서 12시간 동안 환류를 실시하였다. 결과로 침전된 물질을 원심분리기로 분리하고, 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 결과의 수득물을 3일동안 동결건조한 후, 튜브 퍼니스에서 270℃ 온도 조건에서 12시간 열처리하여, V2O5의 금속산화물-그래핀 복합체에 대해 Mn이 도핑된 음극 물질을 제조하였다.0.9 g of V 2 O 5 , 30 ml of deionized water, and 20 ml of H 2 O 2 were added to a round flask and stirred. Here, 60 g of graphene oxide in 30 ml of deionized water (60 g of graphene oxide, graphene oxide is added as a dispersion dispersed in this case, which means 60 g of graphene oxide content contained in the dispersed solution (graphene in dispersion) Oxide concentration = 5% by weight), and mixed by adding 1 mmol of MnSO 4 as a doping element raw material, after adding 100 ml of ethanol, 20 ml of L-aspartic acid, 70 ml of deionized water, and 6N HCl. A solution prepared by mixing 5 ml was dropped and refluxed for 12 hours at 60 ° C. The resultant precipitated material was separated by centrifugation and washed with deionized water and ethanol to remove impurities. After freeze-drying for 3 days, heat treatment was carried out for 12 hours at 270 ℃ temperature in a tube furnace, Mn-doped negative electrode material for the metal oxide-graphene composite of V 2 O 5 Was prepared.
비교예 1 Comparative Example 1
상기 실시예 1에서 도핑원소 원료물질을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수행하여, 미도핑된 V2O5의 금속산화물-CNT 복합체 형태의 음극 물질을 제조하였다. Except not using the doping element raw material in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, to prepare a negative electrode material in the form of a metal oxide-CNT composite of the undoped V 2 O 5 .
비교예 2 Comparative Example 2
둥근 플라스크에 V2O5 0.9g, 탈이온수 30ml, H2O2 20ml를 넣고 교반하였다. 여기에 도핑원소 원료물질로서 MnSO4 1mmol을 첨가하여 혼합하였다. 에탄올 100ml를 추가로 첨가한 후, 결과의 혼합물에 L-아스파르트산 20ml, 탈이온수 70ml 및 6N HCl 5ml를 혼합하여 제조한 용액을 점적하고, 60℃에서 12시간 동안 환류를 실시하였다. 결과로 침전된 물질을 원심분리기로 분리하고, 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 결과의 수득물을 3일동안 동결건조한 후, 튜브 퍼니스에서 270℃ 온도 조건에서 12시간 열처리하여, V2O5의 금속산화물에 Mn이 도핑된 음극 물질을 제조하였다. 0.9 g of V 2 O 5 , 30 ml of deionized water, and 20 ml of H 2 O 2 were added to a round flask and stirred.
비교예 3 Comparative Example 3
둥근 플라스크에 MnO2 1.8g, 탈이온수 30ml, H2O2 20ml를 넣고 교반하였다. 여기에 탈이온수 30ml 중에 CNT 6g (상기 CNT 6g은, CNT는 CMC(carboxymethylcellulose)에 분산된 분산액으로 투입되는데 이때, 투입되는 분산액 중에 포함된 CNT 함량을 의미함(분산액 중 CNT 농도=5중량%), CNT 직경=9~11nm임)을 분산시킨 분산액을 첨가하여 혼합하였다. 에탄올 100ml를 추가로 첨가한 후, 결과의 혼합물에 L-아스파르트산 20ml, 탈이온수 70ml 및 6N HCl 5ml를 혼합하여 제조한 용액을 점적하고, 60℃에서 12시간 동안 환류를 실시하였다. 결과로 침전된 물질을 원심분리기로 분리하고, 탈이온수 및 에탄올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 결과의 수득물을 3일동안 동결건조한 후, 튜브 퍼니스에서 270℃ 온도 조건에서 12시간 열처리하여, 미도핑된 MnO2 금속산화물-CNT 복합체의 음극 물질을 제조하였다.1.8 g of MnO 2 , 30 ml of deionized water, and 20 ml of H 2 O 2 were added to a round flask and stirred. Here, CNT 6g (30% of CNT, CNT is added as a dispersion dispersed in CMC (carboxymethylcellulose) in 30 ml of deionized water, which means CNT content contained in the added dispersion (CNT concentration in dispersion = 5% by weight). And CNT diameters = 9-11 nm) were added and mixed. After addition of 100 ml of ethanol, a solution prepared by mixing 20 ml of L-aspartic acid, 70 ml of deionized water and 5 ml of 6N HCl was added dropwise to the resulting mixture, and refluxed at 60 ° C. for 12 hours. The precipitated material was separated by centrifugation and washed with deionized water and ethanol to remove impurities. The resulting product was lyophilized for 3 days and then heat treated for 12 hours at 270 ° C. in a tube furnace to prepare a negative electrode material of undoped MnO 2 metal oxide-CNT composite.
실험예 1Experimental Example 1
상기 실시예 1 및 2에서 사용한 바나듐 산화물에 대하여 X선 광전자 분광 분석(XRD)하였으며, 또 주사전자 현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용하여 결정구조를 관찰하였다. 그 결과를 도 1a 내지 도 1c, 그리고 도 2a 내지 도 2c에 각각 나타내었다.The vanadium oxides used in Examples 1 and 2 were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XRD), and the crystal structure was observed using a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIGS. 1A to 1C and 2A to 2C, respectively.
도 1a는 실시예 1에서 사용된 바나듐 산화물에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 1b는 SEM 사진, 그리고 도 1c는 도 1b의 원 표시 부분의 확대도이다.FIG. 1A is a graph showing the results of XRD analysis on the vanadium oxide used in Example 1, FIG. 1B is an SEM photograph, and FIG. 1C is an enlarged view of the circle display portion of FIG. 1B.
또, 도 2a는 실시예 2에서 사용된 바나듐 산화물에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 2b는 SEM 사진, 그리고 도 2c는 도 2b의 원 표시 부분의 확대도이다.2A is a graph showing the results of XRD analysis on the vanadium oxide used in Example 2, FIG. 2B is an SEM photograph, and FIG. 2C is an enlarged view of the circle display portion of FIG. 2B.
도 1a 내지 도 1c, 그리고 도 2a 내지 도 2c에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2에서 사용된 바나듐 산화물은 판상 구조를 가짐을 알 수 있다.As shown in FIGS. 1A to 1C and 2A to 2C, it can be seen that the vanadium oxide used in Examples 1 and 2 has a plate-like structure.
또, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조한 각각의 음극 물질을 SEM으로 관찰하였다. 그 결과를 도 3a 내지 도 6에 각각 나타내었다. In addition, each negative electrode material prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was observed by SEM. The results are shown in FIGS. 3A to 6, respectively.
도 3a 내지 3c는 실시예 1에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체를 다양한 배율로 관찰한의 SEM 사진이고, 도 4a 내지 도 4c는 실시예 2에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체의 다양한 배율로 관찰한 SEM 사진이다. 또 도 5 및 6은 각각 실시예 3 및 비교예 1에서 제조한 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체를 관찰한 SEM 사진이다. 3A to 3C are SEM images of the composite of the vanadium oxide-carbon material prepared in Example 1 at various magnifications, and FIGS. 4A to 4C are the composite of the vanadium oxide-carbon material prepared in Example 2 SEM photographs observed at various magnifications. 5 and 6 are SEM photographs of the composite of the vanadium oxide-carbonaceous material prepared in Example 3 and Comparative Example 1, respectively.
관찰 결과, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체는 판상의 바나듐 산화물 사이에 탄소계 물질이 개재되어 적층된 구조를 가짐을 확인할 수 있다. As a result, it can be seen that the composites of the vanadium oxide-carbonaceous materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 have a structure in which a carbonaceous material is interposed between plate-shaped vanadium oxides.
또, 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 각각의 음극 물질을 전자현미경으로 관찰하고, 또 EDS를 이용하여 원소 분석하였다. 그 결과를 도 7 및 8에 각각 나타내었다. In addition, each of the negative electrode materials prepared in Examples 1 and 2 was observed with an electron microscope, and elemental analysis was performed using EDS. The results are shown in FIGS. 7 and 8, respectively.
분석결과, 실시예 1 및 2의 음극 물질은 판상 적층 구조의 바나듐 산화물-탄소계 물질의 복합체에 Al 또는 Mn의 도핑원소가 도핑되어 있음을 확인할 수 있다(실시예 1에서의 Al 도핑량(복합체 구성 전체 원자 함량 기준): 0.3원자%, 실시예 2에서의 Mn 도핑량(복합체 구성 전체 원자 함량 기준): 1.08원자%).As a result of the analysis, it can be seen that the negative electrode materials of Examples 1 and 2 are doped with Al or Mn doping element in the composite of the vanadium oxide-carbon-based material having a plate-like laminated structure (Al doping amount in Example 1 (composite) Based on total component atomic content): 0.3 atomic%, Mn doping amount in Example 2 (based on total composite atomic content: 1.08 atomic%).
실험예 2Experimental Example 2
상기 실시예 1, 2 및 4, 그리고 비교예 2 및 3에서 제조한 각각의 음극 형성용 조성물에 대하여 순환전압전류법(CV, cyclic voltammetry)으로 CV 그래프를 측정하였다.The CV graphs were measured by cyclic voltammetry (CV) for each of the negative electrode forming compositions prepared in Examples 1, 2 and 4, and Comparative Examples 2 and 3.
상세하게는, 상기 실시예 1, 2 및 4, 그리고 비교예 2 및 3에서 제조한 각각의 음극 물질, 카본블랙 및 바인더로서 PVDF를 7:2:1의 중량비로 혼합하여 음극 형성용 조성물을 제조하고, 글래시 카본 전극(GCE)에 도포한 후 진공건조시키고, 70℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 제조한 전극에 1M Li2SO4 전해질을 함침시키고, 안정화시킨 후 백금 반대전극과 SCE 기준전극을 사용하여, 순환주사전위 실험을 수행하였다. 전압 범위 -1.1~-0.2V에서, 전위 주사 속도 10 ㎷/s로 하여 측정하였다. In detail, PVDF was mixed in a weight ratio of 7: 2: 1 as the negative electrode material, the carbon black, and the binder prepared in Examples 1, 2 and 4, and Comparative Examples 2 and 3 to prepare a composition for forming a negative electrode. The glass was coated on a glass carbon electrode (GCE), dried in vacuo, and dried at 70 ° C. for 24 hours. 1 M Li 2 SO 4 electrolyte was impregnated into the prepared electrode, stabilized, and a cyclic scanning potential test was performed using a platinum counter electrode and an SCE reference electrode. It measured in the voltage range of -1.1--0.2V at the potential scan speed of 10 mW / s.
단위질량당 정전용량은 바나듐 산화물의 함량과 음극 물질의 비표면적에 크게 의존하며, 순환주사전위에서 나타나는 전류값을 주사속도와 전극 활물질의 질량으로 나누어 계산할 수 있다. 그 결과를 도 9 내지 13, 및 표 1에 나타내었다.The capacitance per unit mass depends largely on the content of vanadium oxide and the specific surface area of the negative electrode material, and can be calculated by dividing the current value appearing at the cyclic scanning potential by the scanning speed and the mass of the electrode active material. The results are shown in FIGS. 9 to 13 and Table 1.
(F/g)Capacitance
(F / g)
(Wh/kg)Energy density
(Wh / kg)
(F/g)Capacitance
(F / g)
(F/g)Capacitance
(F / g)
(F/g)Capacitance
(F / g)
(F/g)Capacitance
(F / g)
상기 표 1에서 "-"는 측정하지 않음을 의미한다."-" In Table 1 means not measured.
측정 결과, 실시예 1, 2, 및 4의 음극 물질은 비교예 2 및 3 대비 높은 정전 용량과 함께 높은 에너지 밀도를 나타내었다. 그 중에서도 전도성 무기물질로서 CNT를 포함하는 실시예 1 및 2의 경우 CNT의 높은 전기전도성으로 인해 450 F/g 이상의 높은 정전 용량와 함께 50 Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 나타내었으며, 5 사이클 후에도 300 F/g 이상의 정전 용량 및 30 Wh/kg 이상의 에너지 밀도를 나타내었다. 이와 같은 우수한 정전 용량 및 에너지 밀도 특성은 실시예 1 및 2의 음극 물질이 층상 구조를 가짐에 따라 비표면적이 크게 증가하였기 때문이다. 한편, CNT 대신에 그래핀을 포함하는 실시예 4의 경우, 실시예 1 및 2에 비해 낮은 전하전달 능력 및 전도성 경로(conducting path)의 차이로 인해, 상대적으로 낮은 정전 용량과 에너지 밀도를 나타내었다.As a result of the measurement, the negative electrode materials of Examples 1, 2, and 4 showed higher energy density with higher capacitance than Comparative Examples 2 and 3. Among them, Examples 1 and 2 including CNT as a conductive inorganic material showed a high energy density of 50 Wh / kg or higher with a high capacitance of 450 F / g or higher due to the high electrical conductivity of CNT, and 300 F even after 5 cycles. a capacitance of at least / g and an energy density of at least 30 Wh / kg. Such excellent capacitance and energy density characteristics are due to the large increase in specific surface area as the negative electrode materials of Examples 1 and 2 have a layered structure. On the other hand, in the case of Example 4 including graphene instead of CNT, due to the difference in the low charge transfer capacity and the conductive path (conducting path) compared to Examples 1 and 2, it showed a relatively low capacitance and energy density .
또, CNT 등의 전도성 무기 물질을 포함하지 않는 비교예 2의 경우, 입자 간에 존재해야 할 전도성 브릿지(conducting bridge)의 부재로, 전하 전달 능력이 저하됨에 따라 실시예들에 비해 크게 저하된 정전 용량과 에너지 밀도를 나타내었으며, 5 사이클 후에는 이 같은 정전 용량 및 에너지 밀도의 차가 더 커졌다.In addition, in Comparative Example 2, which does not contain a conductive inorganic material such as CNT, the absence of a conductive bridge to be present between the particles, the charge capacity is significantly reduced compared to the embodiment as the charge transfer capacity is reduced And energy density, and after 5 cycles, the difference in capacitance and energy density became larger.
또, 도핑원소 없이 금속산화물과 전도성 무기 물질의 복합체 만을 포함하는 비교예 3의 경우, 도핑원소를 포함하는 실시예 대비 전하 이동성의 감소로 크게 저하된 정전 용량과 에너지 밀도를 나타내었다. In addition, Comparative Example 3, which includes only a composite of a metal oxide and a conductive inorganic material without a doping element, showed a significantly reduced capacitance and energy density due to a decrease in charge mobility compared to an example including a doping element.
실험예 3Experimental Example 3
상기 실험예 2에서와 동일한 방법으로, 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1의 음극 물질을 이용하여 전극을 제조하고, 제조한 각각의 전극에 1M Li2SO4 전해질을 함침시키고, 안정화시킨 후 백금 반대전극과 SCE 기준전극을 사용하여, 전압 범위 -1.2~-0.2V에서, 1~20kW/kg, 1~30A/g의 조건에서 출력 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 14에 나타내었다. In the same manner as in Experimental Example 2, to prepare an electrode using the negative electrode material of Examples 1 to 3, and Comparative Example 1, impregnated and stabilized 1M Li 2 SO 4 electrolyte to each electrode prepared Using the platinum counter electrode and the SCE reference electrode, the output characteristics were evaluated in the voltage range of -1.2 to -0.2V, under the conditions of 1 to 20 kW / kg and 1 to 30 A / g. The results are shown in FIG.
실험결과, Cu, Al, 또는 Mn으로 도핑한 바나듐산화물-탄소계경우물질의 복합재를 포함하는 실시예 1 내지 3의 음극 물질이, 비도핑된 비교예 1의 음극 물질에 비해 보다 우수한 출력특성을 나타내었다. 이 같은 결과로부터 바나듐 산화물-탄소계 물질 복합재료에 대한 도핑에 의해 전극물질의 출력특성이 더욱 개선될 수 있음을 알 수 있다.Experimental results show that the negative electrode materials of Examples 1 to 3, which contain a composite of vanadium oxide-carbon case material doped with Cu, Al, or Mn, have better output characteristics than the negative electrode material of Comparative Example 1, which is undoped. Indicated. From these results, it can be seen that the output characteristics of the electrode material can be further improved by doping the vanadium oxide-carbon-based composite material.
실험예 4Experimental Example 4
상기에서 제조한 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 음극 물질을 포함하는 각각의 전극에, Li2SO4 전해질을 진공 함침시키고, 안정화시킨 후 백금 반대전극과 SCE 기준전극을 사용하여, 순환주사전위 실험을 수행하였다. 전압 범위 -1.2~-0.2V에서, 전위 주사 속도 10 ㎷/s로 하여 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Each electrode comprising the negative electrode materials of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 prepared above was vacuum-impregnated and stabilized with Li 2 SO 4 electrolyte, and then circulated scanning using a platinum counter electrode and an SCE reference electrode. Dislocation experiments were performed. In the voltage range of -1.2--0.2V, it measured with the potential scan speed of 10 mA / s. The results are shown in Table 2 below.
실험결과, 실시예 1 내지 3은 비교예 1에 비해 개선된 정전 용량을 나타내었으며, 특히 Al 또는 Mn을 도핑한 실시예 1 및 2는 350 F/g 이상으로 크게 증가된 정전용량을 나타내었다. 한편, Cu를 도핑한 실시예 3의 경우, 금속 도핑에도 불구하고 상대적으로 낮은 전하의 이동성으로 인해 정전 용량이 실시예 1 및 2에 비해 감소하였다.As a result, Examples 1 to 3 showed improved capacitance compared to Comparative Example 1, in particular, Examples 1 and 2 doped with Al or Mn showed a greatly increased capacitance of 350 F / g or more. On the other hand, in the case of Example 3 doped with Cu, the capacitance was reduced compared to Examples 1 and 2 due to the relatively low charge mobility despite the metal doping.
Claims (20)
상기 금속 산화물은 판상 구조를 갖고,
상기 복합체는 복수 개의 상기 판상 구조의 금속 산화물 사이에 전도성 무기물질이 개재된 판상 적층 구조를 가지며, 전이 금속 및 양쪽성 금속 원소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도핑원소로 도핑된, 수도커패시터용 음극 물질.
A complex of a metal oxide-conductive inorganic material including a metal oxide and a conductive inorganic material combined with the metal oxide,
The metal oxide has a plate-like structure,
The composite has a plate-like laminated structure in which a conductive inorganic material is interposed between a plurality of the metal oxides of the plate-like structure, and is doped with at least one doping element selected from the group consisting of transition metals and amphoteric metal elements. Cathode material.
The negative electrode material of claim 1, wherein the composite is doped with one or more doping elements selected from the group consisting of Mn, Cr, Cu, Mo, Ni, Ti, Al, Zn, Sn, and Bi.
The negative electrode material of claim 1, wherein the doping element is included in an amount of 0.1 to 30 atomic% with respect to the total content of the elements constituting the composite.
The negative electrode material of claim 1, wherein the metal oxide is an oxide including at least one metal selected from the group consisting of V, Sn, Ru, Ir, Ta, Mn, Mo, and Ti.
The negative electrode material of claim 1, wherein the conductive inorganic material includes at least one selected from the group consisting of a carbonaceous material and maxine.
상기 전도성 무기물질은 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노로드, 증기 성장 탄소 파이버, 그래핀, 및 활성탄으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 물질을 포함하는, 수도커패시터용 음극 물질.
The method of claim 1,
The conductive inorganic material includes any one or two or more carbon-based material selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanorods, steam grown carbon fibers, graphene, and activated carbon, negative electrode material for water capacitors .
The negative electrode material of claim 1, wherein the metal oxide is included in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive inorganic material.
The negative electrode material of claim 1, wherein the metal oxide includes vanadium oxide, the conductive inorganic material includes carbon nanotubes, and the composite material is doped with at least one of Al and Mn. .
결과의 반응물을 열처리하는 단계를 포함하며,
상기 금속 산화물은 판상 구조를 갖는, 제1항의 수도커패시터용 음극 물질의 제조방법.
Mixing a metal oxide, a conductive inorganic material and a raw material of a doping element, and then reacting by adding a carboxylic acid complexing agent; And
Heat-treating the resulting reactants,
The metal oxide has a plate-like structure, the method of producing a negative electrode material for water capacitors of claim 1.
The negative electrode material of claim 10, wherein the raw material of the doping element comprises one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sulfate, nitrate, chloride, acetate and carbonate containing a doping element. Manufacturing method.
The method of manufacturing a negative electrode material for a water capacitor according to claim 10, wherein the raw material of the doping element is a sulfate including at least one of Mn and Al.
The method of claim 10, wherein the carboxylic acid-based complexing agent is selected from the group consisting of monocarboxylic acid, dicarboxylic acid, trifunctional or higher polyhydric carboxylic acid, and amino acid.
The method of claim 10, wherein the carboxylic acid-based complexing agent is selected from the group consisting of L-aspartic acid, acetic acid, citric acid, and mixtures thereof.
The method of claim 10, wherein after the mixing of the metal oxide, the conductive inorganic material and the raw material of the doping element, an alcohol compound is further added before the carboxylic acid complexing agent is added.
The method of claim 10, wherein the carboxylic acid-based complexing agent is introduced into a solution dissolved in a mixture of water and an acid.
The method of claim 10, further comprising lyophilizing the resulting reactant before the heat treatment.
The method of claim 10, wherein the heat treatment is performed at 250 to 350 ° C. 12.
A negative electrode for a water capacitor, comprising the negative electrode material according to any one of claims 1 to 10.
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